甲酸燃料電池陽極催化劑Pd/WO3—CNTs的合成方法對比及其催化性能研究

李志浩 陳偉 葉成昱 俞瑩 姜霞麗 孫樂林 陳佳斌 金燕仙

摘 要：采用溶膠凝膠法和水熱合成法合成了載體WO3-CNTs，并進一步制備了20%Pd/WO3-CNTs-A（B）催化劑，對比了兩種方法合成的催化劑對甲酸電氧化催化性能。XRD結果表明兩種催化劑均由單斜WO3和面心立方的Pd晶粒組成。溶膠凝膠法制備的載體其WO3分散更為均勻，有利于WO3物種對Pd的甲酸脫氫這種促進作用，因此該法合成的20%Pd/WO3 -CNTs催化劑具有更好的催化性能。

關 鍵 詞：溶膠凝膠法; 微波多元醇法; 甲酸; WO3

中圖分類號：O 655.25 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1381-04

Comparison of Synthesis Methods？and Its Performance Study

of Pd/WO3-CNTs as Formic Acid Fuel Cells Anode Catalyst

LI Zhi-hao， CHEN Wei， YE Cheng-y， YU Ying， JIANG Xia-li， SUN Le-lin， CHEN Jia-bin， JIN Yan-xian

（School of Pharmaceutical and Chemical Engineering， Taizhou University， Zhejiang Taizhou 318000， China）

Abstract： WO3 modified carbon nanotubes were prepared by sol-gel method and hydrothermal synthesis， and then their supported palladium catalysts were prepared. The results show that electrocatalytic performance of Pd/WO3-CNTs-A catalysts prepared by sol-gel method for formic acid oxidation significantly enhances because WO3 particles disperse on CNTs more uniformly.

Key words： Sol-gel method ; Microwave polyol method; Formic acid; WO3

與直接甲醇燃料電池相比，直接甲酸燃料電池具有很多優點：燃料甲酸無毒、不易燃、儲運方便，電化學活性、能量密度、質子導電率更高，Nafion膜透過率更低，在較低溫度下的輸出功率更高，理論開路電位（1.48 V）更高等。因此直接甲酸燃料電池（DFAFC）被公認為是燃料電池的發展方向之一，是目前研究的一個熱點[1-4]。Pd催化劑成為目前甲酸氧化最普遍的催化劑，其不僅具有優異的甲酸氧化電催化活性，而且價格低廉。但其穩定性不好，最主要是因為長時間后Pd會被甲酸電氧化或甲酸分解過程中產生的CO或類CO物種緩慢地毒化[4]。添加過渡金屬氧化物可以改善催化劑的性能，提高Pd催化劑的電催化活性及其穩定性[5，6]。三氧化鎢（WO3）在酸性溶液中能夠形成具有導電性能的非化學計量比氫青銅（HxWO3），低氫含量的氫青銅能夠接受質子，可以幫助甲醇、前言內容甲酸等小分子有機物的脫氫[7，8]。但是WO3作為催化劑載體存在導電性能差和比表面積小等缺點，限制了其在燃料電池中的應用。我們課題組采用浸漬法將WO3修飾到碳納米管表面得到復合材料WO3-CNTs，負載Pd獲得Pd/WO3-CNTs催化劑并獲得了優異的甲酸電氧化催化性能[9]。而復合材料制備方法對催化劑的性能影響很大，因此我們采用兩種新方法即溶膠凝膠法和水熱合成法制備WO3-CNTs，進一步負載鈀獲得Pd/WO3-CNTs催化劑，探討不同方法對催化劑性能的影響，并結合XRD、SEM等對催化劑結構形貌進行表征，進一步探討了其催化作用機制。

1 實驗部分

1.1儀器及試劑

上海新儀微波加熱儀（MAS-3），CHI730d電化學工作站，XD-D1型X射線衍射儀（Cu靶，λ = 0.15 nm），日立S-4800型掃描電鏡。

鎢酸鈉Na2WO4？2H2O，AMT（偏鎢酸銨， （NH4）6H2W12O40？nH2O），氯化鈀，碳納米管（直徑40～60 nm，長度5～15 μm，純度≥98%）。所有試劑均為分析純。

1.2催化劑制備

1.2.1 WO3-CNTs載體的制備

1）溶膠凝膠法：稱取0.500 3 g鎢酸鈉溶于5 mL去離子水中，滴加4 mol/L HCl至溶液呈膠狀，再滴加10%的草酸至沉淀溶解。稱200 mg CNTs 加入上述膠狀溶液中，超聲，磁子常溫攪拌24 h。再轉入三頸燒瓶，微波10次，每次20 s，砂芯漏斗抽濾，干燥，然后在400 ℃用電阻爐煅燒4 h，冷卻后即獲載體，記為WO3-CNTs-A。

2）水熱合成法：稱取6.428 6 g 偏鎢酸銨（AMT）溶于15 mL去離子水中，稱200 mg CNTs 加入燒杯中，超聲，轉移至反應釜中，90 ℃下保溫8 h，砂芯漏斗抽濾，干燥，然后在400 ℃用電阻爐煅燒4 h，冷卻后即獲得載體WO3-CNTs-B。

1.2.2 Pd/WO3-CNTs催化劑的制備

稱取上述兩種載體80 mg置于不同燒杯中，加入40 mL乙二醇和3.76 mL PdCl2，超聲，轉入三頸燒瓶中，微波20次，每次30 s，抽濾，洗滌，干燥，即獲催化劑20%Pd/WO3-CNTs-A、20%Pd/WO3-

CNTs-B。相同條件下制備20%Pd/CNTs， 以上催化劑理論載鈀量均為 20%（wt）。EDX測定Pd元素為18%（wt），而兩種催化劑的W元素分別為17.1%（wt）和18.1%（wt）。

1.3催化劑的電化學性能測試

稱取5 mg催化劑，加入500 μL 乙醇和 20 μL Nafion （Dupont， 質量分數5%）溶液，超聲震蕩使之成為“油墨”狀，移液槍移取20 μL混合液涂于直徑為4 mm的玻碳電極表面，待自然干燥，即得所需工作電極。采用三電極體系，工作電極為上述自制電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。電解液為1 mol/L HCOOH + 0.5 mol/L H2SO4。

2 結果與討論

2.1 催化劑結構表征

圖1是不同方法合成催化劑的XRD譜圖。可以看到，2θ為25.8 °的譜峰可以歸屬為碳納米管的（002）晶面的衍射峰。 2θ為39.8°， 46.2°， 67.8°和81.6°的譜峰分別對應的是Pd晶體（111）、（200）、（220）、（311）晶面的衍射峰。2θ為23.1°，23.6°，24.4°，28.6°，33.3°，33.6°，34.2°，41.9°，50.2°，50.8°，53.5°，54.2°，54.8°和55.9°位置上出現單斜WO3的特征峰，分別對應于WO3的（002），（020），（200），（-112），（022），（-202），（220），（222），（232），（322），（024），（042），（240）和（420）晶面[10]，其2θ值與JCPDS No.43-1035相比基本一致。說明這兩種催化劑均由單斜WO3和面心立方Pd晶粒和碳納米管組成。

圖1 不同方法合成20%Pd/WO3-CNTs催化劑的XRD圖譜

Fig.1 XRD patterns of Pd/WO3-CNTs with different synthetic methods

圖2 a、b和c、d分別是20%Pd/WO3-CNTs-A 20%Pd/WO3-CNTs-B催化劑的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。圖中可以看出，兩種催化劑上均出現了成多邊形的WO3顆粒，顆粒40～100 nm左右，均勻分散在碳納米管上。溶膠凝膠法合成的催化劑20%Pd/WO3-CNTs-A，其WO3呈多邊形，邊長100 nm左右，較為均勻地分散在碳納米管上。而水熱合成制備的20%Pd/WO3-CNTs-B 催化劑，載體WO3顆粒呈現團簇狀，堆積在一起。這說明溶膠凝膠法合成的載體WO3在碳納米管上分散性更好，更均勻。

圖2 a、b和c、d分別是催化劑20%Pd/WO3-CNTs-A 和20%Pd/WO3-CNTs-B的SEM圖

Fig.2 （a）、（b） SEM images of 20%Pd/WO3-CNTs-A and （c）、（d） SEM images of 20%Pd/WO3-CNTs-B catalysts

2.2 催化劑的電化學性能測試

圖3（a）兩種方法合成的催化劑在1 mol？L-1 HCOOH + 0.5 mol？L-1 H2SO4電解液中的循環伏安曲線，掃描速度為50 mV/s。圖中可以看到Pd/CNTs催化劑的循環伏安曲線出現了兩個氧化峰，在0.2 V左右較明顯的峰是甲酸直接氧化成CO2的氧化電流峰;在0.6 V左右不明顯的峰是甲酸間接氧化過程的氧化電流峰[4]。與Pd/CNTs催化劑相比，兩種方法合成的Pd/WO3-CNTs催化劑其最大氧化峰電流密度均有不同程度增大。溶膠凝膠法合成的催化劑20% Pd/WO3-CNTs-A和水熱合成制備的20% Pd/

WO3-CNTs-B 催化劑其峰值電流密度分別為148.49 mA？cm-2和48.41 mA？cm-2，分別是Pd/CNTs催化劑最大甲酸氧化峰電流密度（26.1 mA？cm-2）的5.6倍和1.85倍。顯然，溶膠凝膠法合成的催化劑其甲酸催化氧化活性更好。

圖3（b）為該催化劑電極在0.5 mol？L-1 H2SO4電解液中的循環伏安曲線。氫的吸脫附過程出現在-0.20 V ～ +0.10 V范圍。顯然，兩種方法合成的20%Pd/WO3-CNTs催化劑均出現了氫的脫附峰，與20%Pd/CNTs催化劑相比，氫的脫附峰電流均不同程度增大，顯而易見，20%Pd/WO3-CNTs-A催化劑其氫的脫附峰電流大幅度增大。WO3與氫離子反應可以形成兩種穩定的鎢青銅化合物，即H0.18WO3和H0.35WO3，表明除了Pd原子上氫的脫附，氫在WO3的表面溢出效應也對這部分電量有貢獻[11]。這說明溶膠凝膠法合成的催化劑其氫在WO3的表面溢出效應更加明顯。

圖3 不同方法合成的Pd/WO3-CNTs催化劑電極在（a） 1 mol？L-1 HCOOH + 0.5 mol？L-1 H2SO4和（b） 0.5 mol？L-1 H2SO4電解液中的循環伏安曲線，掃描速度為50 mV/s

Fig.3 Cyclic voltammograms in（a） 1 mol？L-1 HCOOH + 0.5 mol？L-1 H2SO4 solution and （b） 0.5 mol？L-1 H2SO4 solution for Pd/WO3-CNTs electrodes with different synthetic methods， Scan rate： 50 mV/s

極化電流測試用于考察該催化劑的電化學穩定性，結果如圖4所示。兩種催化劑在3 600 s內均出現了下降趨勢，催化劑A的電流密度更為緩慢的下降，并且其電流密度始終高于催化劑B。

電極失活導致電流密度下降，是因為甲酸間接氧化過程中會產生CO，而這些毒物CO會在催化劑表面積累，占據部分催化活性中心，因而Pd電極發生失活，峰值電流下降。說明溶膠凝膠法合成催化劑A的電化學穩定性更佳。

圖4 不同方法合成的Pd/WO3-CNTs催化劑電極在1 mol？L-1 HCOOH + 0.5 mol？L-1 H2SO4電解液中的極化電流曲線，恒電位為0.4 V

Fig.4 Chronoamperometric curves in 1 mol？L-1 HCOOH + 0.5 mol？L-1 H2SO4 solution for Pd/WO3-CNTs electrodes with different synthetic methods. Constant potential 0.4 V

甲酸脫氫會產生大量的氫質子，這些氫質子隨即吸附到Pd表面占據大量活性位，從而阻止甲酸在Pd上的進一步吸附。WO3物種能與吸附氫通過形成HxWO3并進一步反應脫去，有利于Pd活性位的釋放從而促進甲酸脫氫[11]，加快甲酸氧化反應進行，最終加強了甲酸氧化反應性能。而溶膠凝膠法合成的催化劑，其WO3分散更均勻，有利于WO3物種對Pd的甲酸脫氫這種促進作用。因此溶膠凝膠法合成的催化劑的催化性能更佳。

3 結 論

本文采用溶膠凝膠法和水熱合成法合成了WO3/CNTs材料，以此為載體，采用微波多元醇法負載Pd制備得20%Pd/WO3-CNTs-A（B）催化劑。電化學測試結果表明溶膠凝膠法制備得到的20%Pd/WO3 -CNTs催化劑具有更好的甲酸電氧化催化活性和穩定性。XRD和SEM結果表明兩種方法合成的20%Pd/WO3-CNTs催化劑均由單斜WO3和面心立方的Pd晶粒組成。WO3顆粒呈多邊形，溶膠凝膠法合成的WO3分散性更好，這有利于WO3物種對Pd的甲酸脫氫這種促進作用，因而顯著提高其催化性能。

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